高中物理竞赛教程:1.1《库伦定律和电场强度》
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中学奥林匹克竞赛物理教程电磁学篇摘要:一、引言1.奥林匹克竞赛简介2.中学物理竞赛的重要性3.电磁学篇内容概述二、电磁学基本概念1.电荷与电场2.电流与电路3.磁性与磁场三、电磁学定律与原理1.库仑定律与电场强度2.电场与电势差3.欧姆定律与电路分析4.安培定律与磁场5.电磁感应定律四、电磁学典型问题解析1.电场问题2.电路问题3.磁场问题4.电磁感应问题五、竞赛题型与解题技巧1.选择题解题技巧2.计算题解题技巧3.实验题解题技巧六、电磁学相关竞赛题库1.历年竞赛真题解析2.模拟试题训练3.拓展阅读与参考资料七、结语1.电磁学篇学习重要性2.参赛者素质要求3.持续学习与实践的建议正文:一、引言随着科学技术的不断发展,奥林匹克竞赛在我国日益受到重视,其中中学物理竞赛作为基础学科竞赛之一,具有极高的选拔性和实用性。
本文将重点介绍中学奥林匹克竞赛物理教程电磁学篇,帮助广大师生更好地掌握电磁学相关知识,提高竞赛水平。
电磁学篇主要包括电荷与电场、电流与电路、磁性与磁场等基本概念,以及电磁学定律与原理。
掌握这些知识对于理解现实生活中的物理现象以及参加物理竞赛具有重要意义。
二、电磁学基本概念1.电荷与电场:电荷是物质的基本属性,电场是电荷产生的周围空间的物理场。
了解电荷分布、电场线的特点有助于分析电场问题。
2.电流与电路:电流是电荷的定向运动,电路是电流流动的路径。
学会分析电路结构、计算电流电压等基本电路问题是解决电磁学问题的关键。
3.磁性与磁场:磁性是物质的基本属性,磁场是磁性物质产生的周围空间的物理场。
掌握磁场的性质和磁场线的变化,能帮助我们更好地解决磁场相关问题。
三、电磁学定律与原理1.库仑定律与电场强度:库仑定律描述了电荷之间的相互作用力,电场强度是描述电场力的物理量。
学会计算电场强度,能帮助我们更好地分析电场问题。
2.电场与电势差:电势差是描述电场能的物理量,与电场强度密切相关。
理解电势差的含义和计算方法,有助于解决电场与电路问题。
课题:库仑定律、电场强度及电场线知识点总结:一、电荷1.点电荷:当一个带电体本身的线度比它到其他带电体的距离小很多,以至在研究它与其他带电体的相互作用时,该带电体的形状以及电荷在其上的分布状况均无关紧要,该带电体可看做一个带电的点,这样的电荷称为点电荷.点电荷就是一个理想化的物理模型.二、库仑定律1.库仑定律的表达式:F =k Q 1Q 2r 2.式中的k 为静电力常量,数值为k =9.0×109_N·m 2/C 2. 2.库仑定律的适用条件:真空中、点电荷.3.如果存在两个以上点电荷,那么每个点电荷都要受到其他所有点电荷对它的作用力.两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而有所改变.因此,两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力,等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和.4.任何一个带电体都可以看成是由许多点电荷组成的.所以,如果知道带电体上的电荷分布,根据库仑定律和平行四边形定则就可以求出带电体间的静电力的大小和方向.三、电场电场强度的定义式是E =F /q ,它是表示电场的强弱和方向的物理量:1.电场强度的唯一性:决定于电场本身,与是否放入试探电荷、放入电荷的电性、电荷量的多少均无关(填“有关”或“无关”).2.电场强度的矢量性:电场强度的方向与在该点的正电荷所受静电力的方向相同,与负电荷的受力方向相反.所以比较电场强度是否相同时,一定要考虑大小和方向两个因素.四、点电荷的场强1.点电荷电场的场强:(1)公式E =k Q r 2,适用条件:真空中的点电荷.(2)方向:沿某点和Q 的连线,Q 为正电荷时,沿连线向外,Q 为负电荷时,沿连线向里.如果以Q 为中心,r 为半径作一球面,则球面上各点的电场强度大小相等.当Q 为正电荷时,E 的方向沿半径向外;当Q 为负电荷时,E 的方向沿半径向里.2.场强是矢量,当空间存在多个点电荷产生的电场时,电场中某点的电场强度为各个点电荷单独在该点产生的电场强度的矢量和.五、电场线1.电场线的特点有:(1)起始于无限远或正电荷,终止于负电荷或无限远.(2)任意两条电场线不相交.(3)在同一幅图中,电场线的疏密表示场强的大小,电场线某点的切线方向表示该点电场强度的方向.2.匀强电场中各点的电场强度大小相等,方向相同;电场线是间距相等的平行线.六、常见的电场线1.点电荷的电场:正电荷的电场线从正电荷出发延伸到无限远处,负电荷的电场线由无限远处延伸到负电荷,如图所示,其特点有:(1)点电荷形成的电场中,不存在场强相同的点.(2)若以点电荷为球心作一个球面,电场线处处与球面垂直.在此球面上场强大小处处相等,方向各不相同.2.等量同号点电荷的电场:电场线分布如图所示(以等量正点电荷为例),其特点有:(1)两点电荷连线上,中点O处场强为零,向两侧场强逐渐增大,方向指向中点.(2)两点电荷连线中点O沿中垂面(中垂线)到无限远,电场线先变密后变疏,即场强先变大后变小,方向背离中点.3.等量异号点电荷的电场:电场分布如图所示,其特点有:(1)两点电荷连线上的各点场强方向从正电荷指向负电荷,沿电场线方向场强先变小再变大,中点处场强最小.(2)两点电荷连线的中垂面(中垂线)上,电场线的方向均相同,即电场强度方向都相同,总与中垂面(或中垂线)垂直且指向负点电荷一侧.沿中垂面(中垂线)从中点到无限远处,场强大小一直减小,中点处场强最大.七、电场线与运动轨迹的区别电场线是为了形象地描述电场而引入的假想曲线,规定电场线上每点的切线方向为该点的场强方向,也是正电荷在该点的受力方向(与负电荷受力方向相反).运动轨迹是带电粒子在电场中实际通过的径迹,径迹上每点的切线方向为粒子在该点的速度方向.在力学的学习中我们就已经知道,物体运动速度的方向和它的加速度的方向是两回事,不一定相同,因此,电场线与运动轨迹不能混为一谈,不能认为电场线就是带电粒子在电场中运动的轨迹.只有当电场线是直线,且带电粒子只受静电力作用(或受其他力,但方向沿电场线所在直线),同时带电粒子的初速度为零或初速度方向沿电场线所在直线时,运动轨迹才和电场线重合,这只是一种特殊情况.典例强化例1、如图所示,左边是一个原先不带电的导体,右边C是后来靠近的带正电的导体球.若用绝缘工具沿图示某条虚线将导体切开,分导体为A、B两部分,这两部分所带电荷量的数值分别为Q A、Q B,则下列结论正确的有( )A .沿虚线d 切开,A 带负电,B 带正电,且Q A >Q BB .只有沿虚线b 切开,才有A 带正电,B 带负电,且Q A =Q BC .沿虚线a 切开,A 带正电,B 带负电,且Q A <Q BD .沿任意一条虚线切开,都有A 带正电,B 带负电,而Q A 、Q B 的值与所切的位置有关例2、两个半径为R 的带电球所带电荷量分别为q 1和q 2,当两球心相距3R 时,相互作用的静电力大小为( )A .F =k q 1q 2(3R )2B .F >k q 1q 2(3R )2C .F <k q 1q 2(3R )2D .无法确定 例3、如图所示,在光滑绝缘水平面上放置3个电荷量均为q (q >0)的相同小球,小球之间用劲度系数均为k 0的相同轻质弹簧绝缘连接.当3个小球处在静止状态时,每根弹簧长度为l .已知静电力常量为k ,若不考虑弹簧的静电感应,则每根弹簧的原长为()A .l +5kq 22k 0l 2 B .l -kq 2k 0l 2 C .l -5kq 24k 0l 2 D .l -5kq 22k 0l 2 例4、有关电场强度的理解,下述说法正确的是( )A .由E =F q可知,电场强度E 跟放入电场的电荷q 所受的静电力成正比 B .当电场中存在试探电荷时,电荷周围才出现电场这种特殊的物质,才存在电场强度C .由E =kQ r2可知,在离点电荷很近,r 接近于零时,电场强度无穷大 D .电场强度是反映电场本身特性的物理量,与是否存在试探电荷无关例5、关于电场线的特征,下列说法中正确的是( )A .如果某空间中的电场线是曲线,那么在同一条电场线上各处的场强不相同B .如果某空间中的电场线是直线,那么在同一条电场线上各处的场强相同C .如果空间中只存在一个孤立的点电荷,那么这个空间中的任意两条电场线相交;如果空间中存在两个以上的点电荷,那么这个空间中有许多电场线相交D .电场中任意两条电场线都不相交例6、如图所示,直线是一簇未标明方向的由点电荷产生的电场的电场线,曲线是某一带电粒子通过电场区域时的运动轨迹,a 、b 是轨迹上两点.若带电粒子运动过程中只受静电力作用,根据此图可以判断出的是( )A .带电粒子所带电荷的符号B .带电粒子在a 、b 两点的受力方向C .带电粒子在a 、b 两点的加速度何处大D .带电粒子在a 、b 两点的加速度方向例7、如图所示,两个带等量正电荷的点电荷,O 点为两电荷连线的中点,a 点在连线的中垂线上,若在a 点由静止释放一个电子,关于电子的运动,下列说法正确的是()A .电子在从a 向O 运动的过程中,加速度越来越大,速度越来越大B .电子在从a 向O 运动的过程中,加速度越来越小,速度越来越大C .电子运动到O 时,加速度为零,速度最大D .电子通过O 后,速度越来越小,加速度越来越大,一直到速度为零例8、如图所示,带电荷量为+q 的点电荷与均匀带电薄板相距2d ,点电荷到带电薄板的垂线通过板的几何中心.若图中a 点处的电场强度为零,根据对称性,带电薄板在图中b 点处产生的电场强度大小为____________________,方向________.(静电力常量为k )例9、如图所示,在一电场强度沿纸面方向的匀强电场中,用一绝缘丝线系一带电小球,小球的质量为m 、电荷量为q ,为保证当丝线与竖直方向的夹角为θ=60°时,小球处于平衡状态,则匀强电场的电场强度大小可能为() A .3mg q B .mg 2q C .3mg 2q D .mg q例10、在真空中存在空间范围足够大、水平向右的匀强电场.若将一个质量为m 、带正电且电荷量为q 的小球在此电场中由静止释放,小球将沿与竖直方向夹角为37°的直线运动.现将该小球从电场中某点以初速度v 0竖直向上抛出,求此运动过程中(取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)(1)小球受到的电场力的大小及方向;(2)小球运动的抛出点至最高点之间的电势差U .知识巩固练习1.如图所示,不带电的枕形导体的A 、B 两端各贴有一对金箔.当枕形导体的A 端靠近一带电导体C 时( )A .A 端金箔张开,B 端金箔闭合B .用手触摸枕形导体后,A 端金箔仍张开,B 端金箔闭合C .用手触摸枕形导体后,将手和C 都移走,两对金箔均张开D .选项A 中两对金箔分别带异号电荷,选项C 中两对金箔带同号电荷2.关于电场强度E ,下列说法正确的是( )A .由E =F q 知,若q 减半,则该处电场强度为原来的2倍B .由E =k Q r2知,E 与Q 成正比,而与r 2成反比C .由E =k Q r 2知,在以Q 为球心,以r 为半径的球面上,各处场强均相同D .电场中某点的场强方向就是正电荷在该点受到的静电力的方向3.如图所示,把一带正电的小球a 放在光滑绝缘斜面上,欲使球a 能静止在斜面上,需在MN 间放一带电小球b ,则b 应( )A .带负电,放在A 点B .带正电,放在B 点C .带负电,放在C 点D .带正电,放在C 点4.AB 和CD 为圆上两条相互垂直的直径,圆心为O .将电荷量分别为+q 和-q 的两点电荷放在圆周上,其位置关于AB 对称且距离等于圆的半径,如图2所示.要使圆心处的电场强度为零,可在圆周上再放一个适当的点电荷Q ,则该点电荷Q () A .应放在A 点,Q =2qB .应放在B 点,Q =-2qC .应放在C 点,Q =-qD .应放在D 点,Q =-q 5.某静电场中的电场线如图中实线所示,带电粒子在电场中仅受电场力作用,其运动轨迹如图中虚线所示,由M 运动到N ,以下说法正确的是( )A .粒子必定带正电荷B .粒子必定带负电荷C .粒子在M 点的加速度大于它在N 点的加速度D .粒子在M 点的加速度小于它在N 点的加速度6.如图所示,A 、B 是带有等量的同种电荷的两小球(可视为点电荷),它们的质量都是m ,它们的悬线长度都是L ,悬线上端都固定于同一点O ,B 球悬线竖直且被固定,A 球在力的作用下,于偏离B 球x 的地方静止,此时A 球受到绳的拉力为T ;现在保持其他条件不变,用改变A 球质量的方法,使A 球在距B 为12x 处平衡,则此时A 受到绳的拉力为( )A .TB .2TC .4TD .8T7.如图所示,光滑绝缘的水平面上固定着A 、B 、C 三个带电小球,它们的质量均为m ,间距均为r ,A 、B 带正电,电荷量均为q .现对C 施加一水平向右的力F 的同时放开三个小球,欲使三个小球在运动过程中保持间距r 不变,求:(1)C 球的电性和电荷量;(2)水平力F 的大小.8.在方向水平的匀强电场中,一不可伸长的不导电细线一端连着一个质量为m 、电荷量为+q 的带电小球,另一端固定于O 点.将小球拉起直至细线与场强平行,然后无初速度释放,则小球沿圆弧做往复运动.已知小球摆到最低点的另一侧,此时线与竖直方向的最大夹角为θ(如图).求:(1)匀强电场的场强;(2)小球经过最低点时细线对小球的拉力.。
高三物理库仑定律与电场强度知识精讲通用版【本讲主要内容】库仑定律与电场强度电场力的性质1. 知道元电荷,点电荷的概念;知道电荷守恒定律。
2. 掌握库仑定律及其应用。
3. 理解电场强度、电场力的概念。
4. 理解电场线的概念及其性质。
【知识掌握】【知识点精析】1. 电荷、电荷守恒定律⑴自然界中只有正、负两种电荷,电荷周围的空间存在电场,电荷之间的相互作用力是通过电场发生的。
⑵使物体带电叫起电,起电有三种方式:①摩擦起电:摩擦起电是由于相互摩擦的物体间的电子的得失而使物体分别带上等量的异种电荷.玻璃棒与丝绸摩擦时,玻璃棒失去电子而带正电;硬橡胶棒与毛皮摩擦时,硬橡胶棒得到电子而带负电。
②感应起电:是指利用静电感应使物体带电的方式.感应带电是由于电子在导体内部转移形成的。
③接触起电:是指不带电的金属导体跟带电的金属导体接触分开而使不带电的导体带上电荷的方式.接触带电是由于电子在导体之间转移形成的。
⑶元电荷物体所带电荷的多少叫电荷量.以上三种起电的实质都是电荷的得失或转移,得失或转移的最小电荷量是一个电子或一个质子的电荷量,电子和质子带有等量的异种电荷,用eC叫元电荷。
电子的电荷量e和电子的质量m的比值叫电子的表示,电荷量e=1.60×1019比荷,其值为1.76×1011C/kg。
⑷电荷守恒定律电荷既不能创造,也不能消灭,只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分。
在转移的过程中,电荷的总量保持不变。
⑸完全相同的带电小球相互接触,电荷量的分配规律为:同种电荷总电量平均分配;异种电荷先中和再平均分配。
2. 点电荷①点电荷是理想化的模型。
当带电体间的距离比它们自身的大小大得多,以至于带电体的形状和大小对相互作用力的影响可以忽略不计,这样的带电体就可以看作是点电荷。
②点电荷具有相对意义。
带电体的尺寸不一定很小,对点电荷的电荷量和电性也没有限制。
3. 库仑定律⑴内容:真空中两个点电荷之间相互作用的电力,跟它们电荷量的乘积成正比,跟它们之间距离的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上。
电 场知识要点一.电场中的两条基本定律1.电荷守恒定律 2.库仑定律 二.两个重要物理量1.电场强度E 2.电势U 三.两条基本原理1.电场强度的矢量叠加原理E=E1+E2+……EN=∑=Ni iE12.电势的标量叠加原理 U=U1+U2+……UN=∑=Ni iU1四.场强计算及有关带电体周围场的分布1.点电荷的场强2.均匀带电球壳内外的场强 五.静电场中的导体1.导体静电平衡的条件E内=0,导体内部场强处处为零. 2.静电平衡下导体的性质①导体是个等势体,表面是个等势面;②导体内部没有净电荷,净电荷只分布在导体的外表面上;③导体表面附近场强方向与表面垂直,(大小等于εσ电荷面密度σ-tao-与表面曲率有关,曲率大,σ大); ④导体空腔具有静电屏蔽作用,计算不接地的导体上电荷的分布,应运用电荷守衡定律.六.电容器及其电容当两个导体组合时,如果两导体之间的电压U与电量成正比且比值与外界情况无关,则该组合称为电容器,其电容为UqC =. 平行板电容器的电容KdSC πε4= 1.电容器的串、并联串联:∑==+++=Ni iN C C C C C 12111111并联:∑==+++=Ni iN CC C C C 1212.容器贮能QU CU C Q W 2121222===七.带电粒子在电场中的平衡与运动八.静电的应用和防止例题及习题1.如图所示,用两根轻质细绝缘线把两个带电小球悬挂起来,a球带电+q,b球带电为-2q,且两球间的电场力小于b球的重力,即两根线都处于竖直绷紧状态.现突然加一水平向左的匀强电场,待平衡时,表示两小球平衡状态的是图( )[解]将a、b两球看成整体。
a、b之间的静电力和绳子的张力对整体的平衡状态不发生作用,二a、b受匀强电场的作用,因qb>qa,故qb受到水平向右的力大于qa受到的水平向左的力.因此a上部的悬绳必须有向左的水平分力. 将b球隔离分析,如图,可知D正确.2.如图所示,金属球内有一球形空腔,空腔球心O1与A球球心相距为a,金属球原来不带电,今在空腔中放入电量为+Q的电荷,则在O1O2连线的延长线上距O2为R的P点,感应电荷的电场强度为( ) A.22)(a R kQ R kQ +- B.2)(a R kQ+ C.2R kQ D.0 [解]空腔球相当于先将金属球填满,然后在以P为中心,P的右侧R+a处放一与空腔+球相同的带正电小球O1,因此P点的感应电荷场强为22)(a R kQR kQ +-。
一、库仑定律1. 电荷守恒定律(1)两种电荷:正电荷和负电荷,任何带电体所带电量是基本电荷的整数倍。
(2)基本电荷:1,质子和电子所带电量等于一个基本电荷的电量。
(3)电荷守恒定律:物体系与外界无电荷交换时,系统的电荷代数和守恒。
2. 库仑定律(1)内容:在真空中两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比,跟它们之间的距离的平方成反比,作用力的方向在它们的连线上。
(2)公式:,F叫做库仑力或静电力,也叫电场力。
它可以是引力,也可以是斥力,K叫静电力常量,。
(3)适用条件:真空中的点电荷(带电体的线度远小于电荷间的距离时,带电体的形状和大小对相互作用力的影响可忽略不计时,可看作是点电荷)。
二、电场强度1. 电场:带电体周围存在的一种物质。
电场是客观存在的,不以人的意志为转移的,只要电荷存在,在其周围空间就存在电场,电场具有力的性质和能的性质。
2. 电场强度定义:放入电场中某一点的电荷受到的电场力跟它的电量的比值叫做这一点的电场强度。
公式:,与、F无关,取决于电场本身,适用于一切电场。
方向:是矢量,规定电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受电场力方向相同。
3. 点电荷Q在真空中产生的电场,K为静电力常量。
4. 匀强电场:在匀强电场中,场强等于沿电场方向每单位长度上的电势差,即:。
5. 电场叠加:几个电场叠加在同一区域形成的合电场,其场强可用矢量的合成定则进行合成。
三、电场线1. 概念:为了形象地描绘电场,人为地在电场中画出的一系列从正电荷出发到负电荷终止的曲线,使曲线上每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致,这些曲线叫电场线。
2. 性质:①电场线起始于正电荷(或来自无穷远)终止于负电荷(或伸向无穷远)但不会在没有电荷的地方中断;②电场线的疏密情况反映电场的强弱,电场线密的地方,场强大;③电场线上某点的切线方向就是该点的场强方向;④电场线空间中不相交;⑤静电场中电场线不闭合(在变化的电磁场中可以闭合)3. 电场线是人为引入的,实际上不是客观存在的。
高中物理竞赛辅导教程(新大纲版)一、力学部分1. 运动学- 基本概念:位移、速度、加速度。
位移是矢量,表示位置的变化;速度是描述物体运动快慢和方向的物理量,加速度则反映速度变化的快慢。
- 匀变速直线运动公式:v = v_0+at,x=v_0t+(1)/(2)at^2,v^2-v_{0}^2 = 2ax。
这些公式在解决直线运动问题时非常关键,要注意各物理量的正负取值。
- 相对运动:要理解相对速度的概念,例如v_{AB}=v_{A}-v_{B},在处理多个物体相对运动的问题时很有用。
- 曲线运动:重点掌握平抛运动和圆周运动。
平抛运动可分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动;圆周运动中要理解向心加速度a =frac{v^2}{r}=ω^2r,向心力F = ma的来源和计算。
2. 牛顿运动定律- 牛顿第二定律F = ma是核心。
要学会对物体进行受力分析,正确画出受力图。
- 整体法和隔离法:在处理多个物体组成的系统时,整体法可以简化问题,求出系统的加速度;隔离法用于分析系统内单个物体的受力情况。
- 超重和失重:当物体具有向上的加速度时超重,具有向下的加速度时失重,加速度为g时完全失重。
3. 动量与能量- 动量定理I=Δ p,其中I是合外力的冲量,Δ p是动量的变化量。
- 动量守恒定律:对于一个系统,如果合外力为零,则系统的总动量守恒。
在碰撞、爆炸等问题中经常用到。
- 动能定理W=Δ E_{k},要明确功是能量转化的量度。
- 机械能守恒定律:在只有重力或弹力做功的系统内,机械能守恒。
要熟练掌握机械能守恒定律的表达式E_{k1}+E_{p1}=E_{k2}+E_{p2}。
二、电磁学部分1. 电场- 库仑定律F = kfrac{q_{1}q_{2}}{r^2},描述真空中两个静止点电荷之间的相互作用力。
- 电场强度E=(F)/(q),电场线可以形象地描述电场的分布情况。
- 电势、电势差:U_{AB}=φ_{A}-φ_{B},电场力做功与电势差的关系W = qU。
真空中的静电场之老阳三干创作基本要求一、理解电场强度和电势这两个基本概念和它们之间的联系。
二、掌握反映静电场性质的两个基本定理——高斯定理和环流定理的重要意义及其应用。
三、掌握从已知的电荷分布求场强和电势分布的方法。
内容提要一、真空中的库仑定律库仑定律的适用条件:1. 点电荷;2. 电荷静止(或低速)。
二、电场和电场强度电场电荷能够发生电场。
电场是一种客观存在的物质形态。
电场对外表示的性质:1. 对处于电场中的其他带电体有作用力;2. 在电场中移动其他带电体时,电场力要对它做功,这也标明电场具有能量。
电场强度的定义式点电荷场强公式场强叠加原理电场中某点的场强等于每个电荷单独在该点发生的场强的叠加(矢量和)。
几种罕见带电体的场强1、电荷线密度为λ的无限长均匀带电直线外一点的场强2、电荷面密度为σ的无限大均匀带电平面外一点的场强1方向垂直于带电平面。
3、带电Q、半径为R的均匀带电导体球面或导体球的场强分布r<R时,E =0r>R4、带电Q、体密度为ρ的均匀带电球体场强分布r<Rr>R三、电通量高斯定理电场线(电力线)画法 1. 电场线上某点的切线方向和该点场强方向一致;2. 通过垂2的大小。
电场线的性质 1. 两条电场线不克不及相交;2. 电场线起自正电荷(或无穷远处),止于负电荷(或无穷远处),电场线有头有尾,不是闭合曲线。
电场强度通量⎰⎰⋅=sed ΦSE电场强度通量也可形象地说成是通过该面积S的电场线的条数。
高斯定理真空中静电场内,通过任意闭合曲面的电场强度通量等于该曲面所包抄的电量的代数和的1/0倍。
高斯定理是描写静电场基赋性质的基本定理,它反映了电场与形成电场的场源(电荷)之间的关系,说明静电场是有源场。
34 四、静电场的守旧性环路定理静电力做功的特点电场力做的功只取决于被移动电荷的起点和终点的位置,与移动的路径无关。
静电场的环路定理0=⋅⎰l E d上式说明静电场力所做的功与路径无关,也说明静电场是守旧力场。
本资料来自于资源最齐全的21世纪教育网www.21cnjy.com 21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网 §1、1 库仑定律和电场强度 1.1.1、电荷守恒定律 大量实验证明:电荷既不能创造,也不能被消灭,它们只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一部分,正负电荷的代数和任何物理过程中始终保持不变。 我们熟知的摩擦起电就是电荷在不同物体间的转移,静电感应现象是电荷在同一物体上、不同部位间的转移。此外,液体和气体的电离以及电中和等实验现象都遵循电荷守恒定律。 1.1.2、库仑定律 真空中,两个静止的点电荷1q和2q之间的相互作用力的大小和两点电荷电量的乘积成正比,和它们之间距离r的平方成正比;作用力的方向沿它们的连线,同号相斥,异号相吸
221r
qqkF
式中k是比例常数,依赖于各量所用的单位,在国际单位制(SI)中的数值为:
229/109CmNk(常将k写成041k的形式,0是真空介电常数,
22120/1085.8mNC
)
库仑定律成立的条件,归纳起来有三条:(1)电荷是点电荷;(2)两点电荷是静止或相对静止的;(3)只适用真空。 条件(1)很容易理解,但我们可以把任何连续分布的电荷看成无限多个电荷元(可视作点电荷)的集合,再利用叠加原理,求得非点电荷情况下,库仑力的大小。由于库仑定律给出的是一种静电场分布,因此在应用库仑定律时,可以把条件(2)放宽到静止源电荷对运动电荷的作用,但不能推广到运动源电荷对静止电荷的作用,因为有推迟效应。关于条件(3),其实库仑定律不仅适用于真空,也适用于导体和介质。当空间有了导体或介质时, 本资料来自于资源最齐全的21世纪教育网www.21cnjy.com 21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网 无非是出现一些新电荷——感应电荷和极化电荷,此时必须考虑它们对源电场的影响,但它们也遵循库仑定律。 1.1.3、电场强度 电场强度是从力的角度描述电场的物理量,其定义式为
qFE
式中q是引入电场中的检验电荷的电量,F是q受到的电场力。 借助于库仑定律,可以计算出在真空中点电荷所产生的电场中各点的电场强度为
22rQkqrQqkqF
E
式中r为该点到场源电荷的距离,Q为场源电荷的电量。
1.1.4、场强的叠加原理 在若干场源电荷所激发的电场中任一点的总场强,等于每个场源电荷单独存在时在该点所激发的场强的矢量和。 原则上讲,有库仑定律和叠加原理就可解决静电学中的全部问题。 例1、如图1-1-1(a)所示,在半径为R、体电荷密度为的均匀带电球体内部挖去半径为R的一个小球,小球球心O与大球球心O相距为a,试求O的电场强度,并证明空腔内电场均匀。 分析: 把挖去空腔的带电球看作由带电大球,R与带异号电的小球,R
构成。由公式求出它们各自在O的电场强度,再叠加即得0E。这
是利用不具有对称性的带电体的特点,把它凑成由若干具有对称性的带电R
ORO
图1-1-1(a) 本资料来自于资源最齐全的21世纪教育网www.21cnjy.com 21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网 体组成,使问题得以简化。 在小球内任取一点P,用同样的方法求出PE,比较PE和0E,即可证明空腔内电场是均匀的。采用矢量表述,可使证明简单明确。 解: 由公式可得均匀带电大球(无空腔)在O点的电场强度大球E, akRkQaEo343,大球
,方向为O指向O。
同理,均匀带异号电荷的小球 ,R在球心O点的电场强度0,oE大球
所以 oEoE,大球小球E,ako34 如图1-1-1(b)所示,在小球内任取一点P,设从O点到O点的矢量为a,PO为b,OP为r。则P点的电场强度PE为 ppPEEE小球大球,
bkrk
343
4
akbrk34)(34 可见:0EEP 因P点任取,故球形空腔内的电场是均匀的。 1.1.5、 电通量、高斯定理、 (1)磁通量是指穿过某一截面的磁感应线的总条数,其大小为sinBS,其中为截面与磁感线的夹角。与此相似,电通量是指穿过某一截面的电场线的条数,其大小为sinES
为截面与电场线的夹角。
OOPBr
a
图1-1-1(b) 本资料来自于资源最齐全的21世纪教育网www.21cnjy.com
21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网 高斯定量:在任意场源所激发的电场中,对任一闭合曲面的总通量可以表示为 iqk4
(041k) NmC/1085.82120为真空介电常数
式中k是静电常量,iq为闭合曲面所围的所有电荷电量的代数和。由于高中缺少高等数学知识,因此选取的高斯面即闭合曲面,往往和电场线垂直或平行,这样便于电通量的计算。尽管高中教学对高斯定律不作要求,但笔者认为简单了解高斯定律的内容,并利用高斯定律推导几种特殊电场,这对掌握几种特殊电场的分布是很有帮助的。 (2)利用高斯定理求几种常见带电体的场强 ①无限长均匀带电直线的电场 一无限长直线均匀带电,电荷线密度为,如图1-1-2(a)所示。考察点P到直线的距离为r。由于带电直线无限长且均匀带电,因此直线周围的电场在竖直方向分量为零,即径向分布,且关于直线对称。取以长直线为主轴,半径为r,长为l的圆柱面为高斯面,如图1-1-2(b),上下表面与电场平行,侧面与电场垂直,因此电通量 klqklrEi442
rkE2
②无限大均匀带电平面的电场 根据无限大均匀带电平面的对称性,可以判定整个带电平面上的电荷产生的电场的场强与带电平面垂直并指向两侧,在离平面等距离的各点场强应相等。因此可作一柱
PrlP
r
图1-1-2(a) 图1-1-2(b)
E图1-1-3 本资料来自于资源最齐全的21世纪教育网www.21cnjy.com 21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网 形高斯面,使其侧面与带电平面垂直,两底分别与带电平面平行,并位于离带电平面等距离的两侧如图1-1-3由高斯定律: iqkSE42
Sk4
kE2 S
Q
式中为电荷的面密度,由公式可知,无限大均匀带电平面两侧是匀强电场。 平行板电容器可认为由两块无限带电均匀导体板构成,其间场强为E,则由场强叠加原理可知 kE4
③均匀带电球壳的场强 有一半径为R,电量为Q的均匀带电球壳,如图1-1-4。由于电荷分布的对称性,故不难理解球壳内外电场的分布应具有球对称性,因此可在球壳内外取同心球面为高斯面。对高斯面1而言: 0,0442EqkrEi
;
对高斯面2:
rkQEkQqkrEi,4442
。
2rkQoE
RrRr
④球对称分布的带电球体的场强 推导方法同上,如图1-1-4, 对高斯面1,
12图1-1-4 本资料来自于资源最齐全的21世纪教育网www.21cnjy.com
21世纪教育网 -- 中国最大型、最专业的中小学教育资源门户网站。 版权所有@21世纪教育网 3332,444RkQrEQRrkqkrEi
;
对高斯面2,
22,444rkQEkQqkrEi
。
23rkQRkQrE
RrRr
⑤电偶极子产生的电场 真空中一对相距为l的带等量异号电荷的点电荷系统qq,,且l远小于讨论中所涉及的距离,这样的电荷体系称为电偶极子,并且把连接两电荷的直线称为电偶极子的轴线,将电量q与两点电荷间距l的乘积定义为电偶极矩。 a.设两电荷连线中垂面上有一点P,该点到两电荷连线的距离为r,则P点的场强如图1-1-5所示,其中
422l
rqkEE
4242cos22222lrllrqkEE
323
2
2)4(rqlklrqlk
b.若P为两电荷延长线上的一点,P到两电荷连线中点的距离为r,如图1-1-6所示,则
EEEr
qq2/l2/l
图1-1-5